球鋼支座的摩擦副材料性能及測試方法比較

劉小方，白午龍，2，段昕智，2，何昌軒，2

（1.上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海市 200031；2.上海城市路域生態工程技術研究中心，上海市 200031）

0 引 言

球鋼支座具有豎向極限荷載高、適應變形能力強、不使用橡膠等特點，被廣泛運用在各種工程中，包括大跨度空間結構及大跨度橋等。它不僅能夠將橋梁上部結構的豎向荷載均勻地傳遞到下部結構，還可以通過轉動摩擦副和滑動摩擦副之間的相對位移很好地適應梁體在不同作用下產生的大形變和位移。因此，摩擦副的性能對支座的影響非常重要。隨著社會對橋梁工程的需求日益提升，設計理念的不斷更新和新材料的研發與應用，都對球鋼支座的性能和設計提出更高更細致的要求，需要科學地確定球鋼支座的性能指標，并嚴格控制各項指標的檢測方法。

1 球鋼支座的原理和特點

支座在橋梁工程中是必不可少的構件之一，具有將上部結構的荷載傳遞到下部結構和適應上部結構變形的作用。

球鋼支座的結構如圖1所示。其主要組成部分包括下支座板、上支座板、球冠襯板、轉動摩擦副、滑動摩擦副和其他附屬構件。

圖1 球鋼支座結構示意圖

球型支座具有傳力可靠，各向轉動性能一致、承載能力大、水平位移大的特點，并且轉動力矩小，能適應大轉角承載噸位和構件中不使用橡膠，能滿足低溫地區的需要且不存在橡膠老化的問題。

2 球鋼支座性能分析

根據球鋼支座的原理和特點，《橋梁球鋼支座》規范[1]對其性能提出以下要求：

（1）豎向荷載的承載能力；

（2）非滑移方向的水平承載力；

（3）正常工作時的環境溫度區間；

（4）正常工作時滑移方向的摩擦系數；

（5）支座轉動力矩。

球鋼支座的豎向荷載的承載能力，直接取決于球鋼支座的摩擦副材料的抗壓能力[2]。上部結構的豎向荷載施加到上支座板，通過摩擦副、球冠襯板和下支座板，最終傳遞到下部結構。這其中除了摩擦副以外都是鋼構件，抗壓強度高。因此，通常球鋼支座中的摩擦副的抗壓強度決定了整個支座的抗壓強度。

由于支座工作時是通過平面摩擦副的相對位移來適應變形，因此正常工作時滑移方向的摩擦系數即為平面摩擦副的摩擦系數。

如圖2所示，支座的轉動力矩

圖2 球鋼支座轉動力矩

式中：N為支座豎向設計荷載；μ為中間鋼襯板和球面滑板摩擦系數；R為中間鋼襯板球面半徑。

由式（1）可知，支座轉動力矩只與這三個參數有關。當豎向荷載和支座尺寸一定時，摩擦副間的摩擦系數越小，支座的轉動力矩就越小。

可見，摩擦副材料的抗壓能力和摩擦系數直接決定了一定尺寸條件下支座的豎向荷載承載力、滑移方向的摩擦系數和轉動彎矩。因此，摩擦副的抗壓能力和摩擦系數是兩項關鍵的性能指標，需要對其進行科學測試和嚴格檢測。

3 摩擦副材料的應用發展

目前常用的橋梁支座摩擦副材料主要包括三大類：聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯和其他工程塑料。

3.1 聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE）具有摩擦系數低、自潤滑性能、耐老化性能優異等特點，1959年聚四氟乙烯橋梁支座在德國研制成功，這是聚四氟乙烯材料首次在橋梁支座中應用。自20世紀70年代以來，我國在相關支座標準中明確規定了聚四氟乙烯滑板的性能要求，并在板式橡膠支座、盆式橡膠支座等公路和鐵路橋梁支座中大量應用。純聚四氟乙烯雖然具有良好的摩擦與磨耗性能，但其耐蠕變性能較差，在高應力下磨損率較大，為此國內外開始進行填充聚四氟乙烯材料的研制開發[3]，主要通過表面改性、填充改性、共混改性等方法，改善PTFE自身缺陷，提高其性能。

目前填充改性的PTFE制品所用的填料品種非常多，大致可分為金屬填料，無機物填料、有機物填料和納米材料。

例如，張招柱等人[4]對MoS2、CuS、PbS及石墨（添加量均為30vol%）填充的聚四氟乙烯復合材料在干摩擦條件下與GCr15軸承鋼對摩時的摩擦磨損性能進行了較為系統的研究。結果表明，填料均改善了PTFE復合材料的耐磨性，使其磨損量與純PTFE相比大大降低。

王立虎等人[5]制備了用于高鐵橋梁支座滑板的石墨烯（Go）和碳纖維（CF）填充聚PTFE復合材料，并對其力學性能、微觀組織及摩擦學特性進行了分析。結果表明，適量Go和CF的填充能大大改善PTFE的力學性能和摩擦磨損性能。

3.2 超高分子量聚乙烯

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是一種具有優異綜合性能的熱塑性工程塑料，具有物理力學性能好、耐磨損[6]（如圖3所示）、自潤滑、耐腐蝕、耐老化等優點，但由于其過高的相對分子質量，UHMWPE的熔體流動速率非常低，黏度大且熔點高，致使其很難被加工成型。除此之外，UHMWPE的表面硬度、抗蠕變性和彎曲強度等不及其它工程塑料，導致其使用效果和應用范圍受到限制。

圖3 超高分子量聚乙烯與其他材料的耐磨性比較

改性超高分子量聚乙烯是在超高分子量聚乙烯基礎上經過共混復合改性或交聯的方式，提高其抗蠕變性能、表面硬度及摩擦磨損性能而獲得的。

胡平等人[7]使用三氧化二鋁、二氧化硅、碳黑、玻璃微珠作為填料填充UHMPWE材料，發現填充后的UHMWPE材料的面硬度、熱變形溫度及耐磨性有所提高，特別是使用玻璃微珠填料改性的UHMWPE耐磨性可比純UHMWPE提高約40%。

陳霧等人[8]將多壁碳納米管（MWNTs）以不同濃度與UHMWPE粉料共混，通過熱模壓成型的方法制備MWNTs/UHMWPE復合材料。通過摩擦磨損試驗系統研究了不同質量分數MWNTs對UHMWPE復合材料摩擦學性能的影響。結果表明，隨著MWNTs含量的增加，復合材料的摩擦系數的變化并不顯著；當MWNTs質量分數為0.3%時，復合材料表現出較小的摩擦系數和優異的抗磨性能。

3.3 其他工程塑料

隨著橋梁工程的發展，對支座的需求不斷增大，支座摩擦副的材料也逐漸趨向多樣化。除了上述的材料，常作為橋梁支座摩擦副材料的其他工程塑料還包括尼龍、聚己二酸乙二醇酯、聚己二酸丁二醇酯等。這些材料具有硬度高、強度高、抗變形能力強、耐熱性優異、耐磨性好等特點，可用于減隔震支座用耐熱滑板、轉體球鉸用耐磨板等。這些工程塑料均具有較好的摩擦性能，但與聚四氟乙烯和改性超高分子量聚乙烯相比，其耐老化性能、吸水性、自潤滑性能相對稍差，還有待進行深入的改進研究[3]。

4 摩擦副材料性能指標測試方法

針對摩擦副的抗壓性能和摩擦系數，不同的國家有不同的性能指標和測試方法。

我國在《橋梁支座用高分子材料滑板》規范（后文簡稱《規范》）中[9]，針對摩擦副材料的多項性能制定了詳細的指標，例如拉伸強度、斷裂伸長率、荷載壓縮變形等，并且給出了系統的測試方案。

英國結構支座標準《BSEN1337-2》[10]中同樣對摩擦副的摩擦系數、抗壓強度、耐磨性等性能指標提出了要求和測試方法。但即使是針對同一性能指標，各國采用的測試方法也有所區別。

4.1 抗壓強度

《規范》中針對摩擦副的抗壓能力的性能指標是在規定壓應力、規定的試驗溫度范圍和持荷時間下，滑板的壓縮變形量。

英國標準《BSEN1337-2》中針對常用的摩擦副材料的抗壓強度提出了規定，例如恒載或動載作用下的PTFE（聚四氟乙烯滑板）都應具有抗壓強度fk=90MPa。

在《EuropeAssessmentDocument050004-00-0301》（后文簡稱EAD）[11]中給出摩擦副材料的抗壓強度測試方法。具體為持續作用規定的荷載p=fk，超過48h之后，試樣的厚度每小時變化量小于滑板厚度的0.5‰，即為符合要求。并且給出了荷載作用下的變形的測試方法，測量在空載條件下的試件厚度初始值h0與加載后的終值hr之間的差異的測量特性值Δh，并根據《EN1990》[12]附件D試驗輔助設計，進行評估。

以UHMWPE為例，具體的測試參數見表1。

表1 國內外荷載變形測試條件比較

4.2 摩擦系數

《規范》中針對摩擦副材料的摩擦系數的性能指標測試方法為雙剪試驗方式。在規定壓應力下，使用該方法測試不同試驗溫度條件時的靜摩擦系數和動摩擦系數。

英國標準《BSEN1337-2》[10]中摩擦性能的測試步驟為使用壓力試驗機、試樣以及一組滾軸，測量在垂直載荷下引起和保持試樣運動的必要摩擦力。

以UHMWPE為例，具體的測試參數見表2。

表2 國內外摩擦系數測試條件比較

5 結 語

球鋼支座因具有良好的轉動性能等優點，在工程項目中得到了越來越廣泛地運用，特別是在嚴寒、沿海地區，橡膠易老化、易被腐蝕，球鋼支座具有顯著的優勢和重要的地位。為了進一步提高球鋼支座的性能，開發球鋼支座的潛力，拓寬球鋼支座的應用前景，我們需要采用新型高性能摩擦副材料。因此，為了保證支座的正常工作，可參考各國的規范，對新型材料的性能進行嚴格地測試。但是目前規范還不夠全面，新材料在測試中還需要進一步摸索，在試驗中積累寶貴經驗，推動我國高性能球鋼支座的進一步發展。